加热炉温度控制方法

Ｇｕａ哪ｕ，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｌｎａ
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２４ｔｈＣＭｎＮｅＣｏｎｔｒｏｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ
ＪｕｌｙｌＳ－ｌ＆２００５
加热炉温度控制方法
高媛，李秀英，韩志刚
（黑龙江大学电子工程学院，哈尔滨中国１５００８０）
Ｅ－ｍａｉｉ：ｄｅｗａｕｔｏ＠１６３．ｃｏｒｎ
摘要：加热炉的温度控制一直是控制工程中的困难而有意义的课题．本文在讨论加热炉的温度变化规律的基础上，设计了加热炉温度的控制方案．用无模型控制方法实现了这一方案．在实际应用中取得了良好的效果．实践证明了无模型控制方法是使加热炉温度实现稳定控制的有效的方法．
关键词：加热炉，复杂系统，无模型控制方法，串级控制
ＣｏｎｔｒｏｌＭｅｔｈｏｄｏｆＨｅａｔｉｎｇＦｕｒｎａｃｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ＧａｏＹｕａｎ，ＬｉＸｉｕｙｉｎｇ，ＨａｎＺｈｉｇａｎｇ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｉｌｏｎｄｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＨａｒｂｉｎ１５００８０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣＯｎｔｒｏＩｏｆｈｅａｔｉｎｇｆｕｒｎａｃｅｈａｓａｌｗａｙｓｂｅｅｎｄｉｆｆｉｃｕｌｔｂｕｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｐｒｏｂｌｅｍｉｎｔｈｅｃｏｎ仃ｏｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｂａｓｅｄｔｈｅｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎａｂｏｕｔｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｈａｎｇｉｎｇｒｕｌｅｓｏｆｈｅａｔｉｎｇｆｕｒｎａｃｅ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｊｅｃｔｔｈｅｈｅａｔｉｎｇｆｕｍａｃｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｏｆｍｏｄｅｌｆｒｅｅｃｏｎ仃０ｌｍｅｔｈｏｄ．ａｎｄｈａｓｏｂｔａｉｎｅｄｇｏｏｄｅｆｆｅｅｔｉｎｐｒａｃｔｉｃｅ．ＩｔｉＳ
ｍｏｄｅｌｆｒｅｅｃｅｎｔｒｅｌｍｅｔｈｏｄｉＳｅｆｆｅｅｆｔｖｅｗａｙｔｏｒｅａｌｉｚｅｓｔｅａｄｙｃｏｎ仃ｏｌｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｈｅａｔｉｎｇｐｒｏｖｅｄｔｈａｔ
ｆｕｒｎａｃｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄ：Ｈｅａｔｉｎｇｆｕｒｎａｃｅ，ｃｏｍｐｌｅｘｓｙｓｔｅｍ，ｍｏｄｅｌｆｒｅｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄ。

ｃａｓｃａｄｅｃｏｎｔｒｏｌ
１加热炉炉温变化规律
在各类工业装置中加热炉大量存在，对加热
炉的温度进行控制是工业过程控制的一个重要而
且困难的问题。

这是因为加热炉系统是一个比较
复杂的系统，特别是在石化工业中，这种复杂性
表现的尤为突出。

右图给出的是一般加热炉的示
意图。

现以：独山子炼油厂ＩＩ糠醛装置的加热炉为
例来分析加热炉的炉温变化特性：
该厂ＩＩ糠醛装置是生产２０万吨的润滑油三
套装置之一，自１９９７年投产以来，该装置一直在
ＦＯＸＢＯＲＯ的ＤＣＳ控制之下，基本工艺流程是介
质由萃取塔塔顶部经换热器去炉．１，加热到炉一１的炉出口温度控制非常困难，波动幅度
２０５．２１０度（根据油品介质及生产产品），去闪蒸大。

控制不理想的原因在于被控对象十分复杂：
塔（塔．２／Ａ）后，顶部醛气去塔．５，油品介质去汽（１）加热炉口温度抗干扰能力差，在炉膛温提塔（塔．２／Ｂ）。

炉．１的温度对于保证产品的指标度平稳时，炉出口温度也发生明显变化；
是非常重要的。

控制效果好，即能保证产品质量（２）其它系统引起的瓦斯压力波动经常引
又能提高产量。

炉．１（加热）的温度控制是该装置起炉膛温度和炉出口温度的波动；
的一个重要控制回路。

（３）瓦斯气体中含氢气量的变化，照成温度
波动很大；
（４）进料量频繁提降也造成出口温度的波
动：
７９３
（５）油品不断切换也使炉口的温度产生较
大的波动；
（６）加热炉的温度存在较大的时滞。

一般的加热炉在运行中都具有以上所述的特
点。

所以可以说加热炉系统是一个时变、大时滞、
多干扰的复杂系统。

为了对加热炉系统实现稳定
控制，必须寻求出一种能对时变、大时滞、多干
扰的复杂系统实现稳定控制的方法。

实践和理论
分析都说明，完成此项任务较好的方法应该是无
模型控制方法。

２加热炉的控制方案设计
我们以石化工业中的加热炉为背景来讨论加
热炉炉温控制的～般方法。

在前面我们已经讨论
了加热炉炉温的动态特性。

这里我们考虑对加热
炉炉温的控制方案。

石化工业中的加热炉依据其燃料可分为三
类，即燃油加热炉、燃气加热炉和油气混烧加热
炉。

由于油价较高，所以在油气混烧加热炉的工
作过程中，只有在气量不足时，才开始烧油。

所
以对油气混烧加热炉的控制进程中油阀和气阀不
会同时动作。

由此可见，三类加热炉炉温的控制
规律基本相同。

如所周知，串级控制对克服被控系统的时滞
能收到好的效果。

这是因为当用两个控制器进行
串级控制时，每个控制器克服时滞的负担相对减
小，这就使得整个控制系统克服时滞的能力得到
加强。

考虑到加热炉炉温所受到的干扰有的事先是
可以被量测到的，只要在控制律中加上适当的前
馈，这类干扰就可能被抑制或消除。

加热炉温度系统大都是大时滞系统，根据观
测数据可知，系统的纯滞后时间一般在５—８分钟
之间。

综合上述，依据加热炉的物理结构和炉温变
化的特性，我们认为对加热炉炉温采取带有多路
前馈的串级控制是合理的。

具体地说对于油气混
烧加热炉而言应采取带有多路前馈的炉出口温度
与炉膛温度串级控制。

炉出口回路是主回路，炉
膛回路是副回路，副回路直接连接阀门，燃料直
接送到炉膛用以控制炉膛温度从而达到控制炉出
口温度的目的。

加热炉炉温可能的前馈是：
１）瓦斯压力：加热炉所用的瓦斯由于从外装
７９４置来，经常发生变化，瓦斯压力不稳必然造成炉温有所波动，炉温波动反过来又造成瓦斯压力波动，这样就形成了恶性循环。

所以必须把瓦斯压力变化的情况引入到控制律中；
２）燃料油压力：目前石油化工企业所用的大部分是油气混烧加热炉。

加热炉所用的燃料油是自产的，炉温不稳必然引起与燃料油有关的装置的液位波动，从而造成油压的波动。

这又使炉温产生较大的波动，所以也必须把油压信号引入到控制律之中；
３）处理量：由于工艺的要求，处理量的变化在所难免，它也是对炉温有很大影响的因素，必须把它的信号引入到控制律中；
４）进料温度：在装置其它条件都不变的情况下，有时炉温也产生变化，根据观察，这种变化大都是因为进料温度的变化所引起的，所以也必须把进料温度作为一个前馈量。

于是，对一般加热炉炉温的控制方案应当是具有前馈的炉出口温度与炉膛温度串级的无模型控制方案。

具体的控制方案如下图所示：
３应用成功的实例
无模型控制方法在加热炉的温度控制中的应用取得了良好的效果：
１）独山子炼油厂ＩＩ糠醛炉．１的温度控制。

独山炼油厂ＩＩ糠醛炉，ｌ的温度控制系统是ＦＯＸＢＲＯ的ＤＣＳ，我们把带有前馈的串级无模型控制系统连接到ＤＣＳ之上。

没有把无模型控制律加入到ＦＯＸＢＲＯ的ＤＣＳ时，炉出口温度控制非常不平稳，波动幅度大。

ＤＣＳ控制不理想的原因在于它的主要算法是ＰＩＤ，而被控对象十分复杂。

在原ＤＣＳ的控制下，设定值为２１００Ｃ，来
ＴＴ扰之后，最低温度可达１８００Ｃ，最商温度可
加热炉温度控制方法
作者：高媛， 李秀英， 韩志刚
作者单位：黑龙江大学电子工程学院,哈尔滨,中国,150080
1.学位论文陈亚天专家控制在加热炉控制中的应用2006
目前，我国加热炉自动化控制水平低，不能满足生产的要求。

因此，一种有效的控制方法对提高生产的自动化水平尤为重要。

专家控制是近几年发展很快的技术之一，它的特点是使计算机拥有领域专家的思维方式，这样计算机就可以对复杂的问题自动给出专家水平的决策。

可以说，专家控制的出现极大丰富了智能控制的内容，为解决复杂系统的控制问题提供了一条有效的途径。

研究工作以加热炉为被控对象，主要内容由两部分组成。

首先，燃烧过程专家知识自动生成。

先运用聚类分析的方法对由实际的运行数据构成的因素空间进行划分，以此来生成炉子的多个运行模式，当运行模式确定后，根据控制规则自动生成算法，在线自动学习每一组实时参数所对应的运行模式下操作工人所采取的控制策略。

其次，基于神经网络的残氧量预测补偿。

实际生产中采用的氧化锆测量含氧量进行控制的方法反应速度慢，为解决这一问题本课题采用了增加承接层自反馈的改进Elman型神经网络来建立预测模型，对燃料流量和烟气含氧量之间的映射关系进行非线性辨识，并且使用多层前馈神经网络构建非线性优化控制器，对炉膛内的氧气含量进行预测补偿。

为了验证课题研究方法的可行性，在最后结合某轧钢厂加热炉的实际运行参数对课题中提出的控制算法进行了仿真实验，并和常规PID控制的控制效果进行比较，证明了本课题所提出的基于加热炉运行模式的专家控制方法和使用神经网络对烟气含氧量进行预测补偿的方法比传统的控制方式具有优越性。

2.学位论文张光辉加热炉炉温预测模型及软件组件技术研究2001
该论文分为两大部分.第一部分为模糊神经网络及其在加热炉模型辨识中的应用(1-3章).针对当前加热炉控制技术中存在的一些问题,论文本部人尝试利用模糊神经网络解决一些实际问题——用模糊神经网络辨识加热炉的数学模型,为建立以炉温设定值优化控制为基础的加热炉多模式动态优化控制奠定基础.第二部分.组件技术及其在工控软件开发中的的应用(4-5章).针对工控软件开发中遇到的一些难题,尝试利用组件技术及OPC技术减少开发问题.以软件工程中新的SCI逻辑模型为依据,利用专用的工具,进行复杂系统的建模、分析、设计,有效地将复杂系统划分为不同的功能模块,并将其实现为可重复利用的软件组件(OR OPC Server).用框架及对象总线对其进行线装完特定功能的应用程序,该部分将加热炉的数学模型实现为一个COM组件(进程内服务器),并在不同环境中调用之.
3.期刊论文武狄.张忠民.李强.Wu Di.Zhang Zhongmin.Li Qiang复杂系统非建模控制方法的研究-计算机与数字
工程2006,34(1)
以石油化工中加热炉为背景,讨论复杂系统的控制问题,目的是寻求复杂系统的有效控制方法.对复杂系统进行稳定控制,必须考虑诸如非线性,大时滞,时变和强耦合的控制问题,并提出了这类问题的一种有效解决途径.
4.学位论文孔志良生产过程中一类复杂系统的均衡控制策略及应用的研究2007
随着科学技术的不断发展，在实际工业过程中的受控对象越来越复杂，复杂系统的建模与控制是控制理论与控制工程的主要研究内容，是推动工业生产过程自动化的巨大动力。

对于具有高度非线性、强干扰、大滞后和复杂性的化工过程，按照反应机理建立的模型，忽略了很多因素，无法建立精确的数学模型，因此，基于数学模型的控制算法很难取得满意的效果。

对这类化工反应，采用神经网络、模糊控制等先进的控制算法可以取得较好的控制效果。

本文以酮苯脱蜡装置中的回收系统这类系统为例，研究了这类复杂系统的控制策略。

酮苯脱蜡装置中的回收系统是石化工业生产中比较重要的环节，同时是一个比较复杂的系统，涉及到的装置很多，各个装置之间必然有很大的关联性，从而相互影响，而系统中加热炉出口温度的控制也是化工领域控制的难点，因此，对这类复杂系统设计好的控制策略有很重要的意义。

针对这类系统本文主要采取了两种控制策略，一方面为了解决前个设备对后个设备的影响引起的进料波动，提出了一种均衡控制的策略；另一方面，针对加热炉温度的控制问题，本文设计了综合传统控制和模糊控制优点的智能复合控制算法，通过仿真实验，把本文实用的算法与单纯的PID控制、模糊控制进行比较，结果表明智能复合控制较以上几种算法具有更好的控制效果。

最后将此算法应用于系统中，实际的控制效果符合厂方的要求，证明了算法的可行性。

5.期刊论文韩志刚一类复杂系统非建模控制方法的研究-控制与决策2003,18(4)
以石油化工中加热炉、反应器、蒸馏塔等为背景,讨论复杂系统的控制问题,目的是寻求对复杂系统的有效控制方法.对复杂系统进行稳定控制,必须考虑诸如非线性、大时滞、时变和强耦合的控制问题.给出了这类问题的一种解决途径,并给出了成功应用的实例.
6.学位论文窦震海一种新型自适应模糊控制器在温度控制中的应用2005
为消除解析式模糊控制误差变化率EC对系统的影响，本文使规则因子α与误差E成线性关系变化的同时，又根据系统运行的不同时段，使本时段的线性斜率k与上一时段EC的最大值成正比，随着系统趋于稳定，EC逐渐减小，α-E曲线斜率也随之减小，于是E较小时候其权重也较小，提高了EC的权重
，使输出控制量侧重于EC，从而使系统接近稳态的时候，仍能保持较大的调节能力，大大缩短了调节时间，使系统的鲁棒性也大大增强。

文章对一个复杂系统——油田原油加热炉的自动化改造，进行了该模糊控制方法的实践研究。

油田加热炉属于大时滞、大惯性、非线性系统，采用常规控制方法很难达到满意的控制效果。

采用上述模糊控制方法，基于普通PLC模块编程，经过现场试运行，效果很好。

7.期刊论文孙叶青PID控制与模糊控制的比较-科技信息2010(14)
本文以具有大惯性、大滞后特点的流水线加热炉为控制对象,利用半实物仿真控制系统对其温度分别进行PID控制和模糊控制.根据控制结果的比较,得出利用模糊控制方案对于控制具有大惯性、大滞后的复杂系统,比PID控制更有优势;在不需要知道被控对象数学模型的前提下,实现起来比PID控制更加简单;同时便于修改控制参数和设计控制器,缩短实验时间,节约成本,可以在过程控制中推广利用.
8.学位论文鲁毅基于模糊逻辑参数整定的加热炉炉温仿人智能控制的研究2008
钢坯加热炉是热轧钢工业中用于钢坯轧前加热的重要热工设备，也是轧钢生产过程中的耗能大户，其作用是将钢坯加热到轧制工艺所需要的温度
，其工艺要求是尽可能地降低加热炉的能耗、减少钢坯的烧损和减少环境污染。

因此，加热炉先进控制方法的研究对钢铁企业的技术创新、对降低企业生产成本的意义非常重要。

钢坯加热炉是一个典型的复杂工业过程，它几乎具备了复杂系统的所有特征，即建模困难、干扰严重，而且具有多变量、时变、非线性、耦合、大惯性兼滞后等特点，导致传统的控制方法很难取得良好的控制效果。

因此加热炉的优化控制是一个复杂的控制与优化问题，采用常规控制技术难以取得良好的优化控制效果。

本文结合步进梁式加热炉的实际特点，以加热炉的炉温作为研究和控制对象，提出一种基于模糊逻辑参数整定的加热炉炉温仿人智能控制。

本文主要做了以下工作:
(1)阐述了课题的研究背景及选题意义、钢坯加热目的、作用以及钢坯的加热质量对整个轧制工艺的影响，分析了加热炉炉温控制的研究现状及其存在的问题。

(2)详细阐述了仿人智能控制理论的基本思想、基本概念和基本原理，研究了仿人智能控制系统的结构及其设计方法，分析了仿人智能控制的不足和面临的问题。

(3)阐述了钢坯加热炉的炉型结构、钢坯的加热过程以及钢坯加热炉的燃烧系统。

并论述了加热炉的工艺和控制要求、顺序控制、燃烧控制以及炉膛
压力的模糊控制策略。

着重研究了加热炉的炉温控制，分析了影响加热炉炉温控制的几个因素，并研究了加热炉炉温的优化设定。

(4)针对加热炉炉温控制中的实际问题，根据仿人智能控制理论和模糊推理系统的原理，提出和设计了基于模糊逻辑参数整定的炉温的仿人智能控制系统。

最后用MATLAB作为仿真实验平台，结果表明提出的基于模糊逻辑参数整定的加热炉炉温控制是可行的、有效的，为其在实际生产中的应用奠定了基础。

9.期刊论文徐立云.李霄峰.张斌.邵惠鹤.任德祥数据的模糊建模研究及其在加热炉中的应用-数据采集与处理
2001,16(4)
对于工业生产中的一些复杂、非线性系统,传统的建模方法很难描述其系统特性.但在实际生产中存在大量系统的输入输出数据,基于输入输出数据对复杂系统进行建模是一较好的途径.本文基于输入输出数据,提出一种决策树系统输入空间的划分方法,通过一定的数据训练,提取模糊规则,构成系统的模糊规则库,从而建立了非线性系统的模糊规则模型.仿真结果表明,该模型可以较好地描述系统的动态特性,同时也说明了该方法的快速性和有效性.
10.学位论文杨易朋工业加热炉控制方法的研究2008
随着科学技术的迅猛发展和DCS技术的成熟，工业上对复杂系统实行自动控制的要求也随之提高，我国的工业加热炉大多处于常规控制和简单控制
，当前的常规控制或简单控制已经无法满足工业生产的需要，为了进一步提高控制精度从而提高经济效益并增加系统的稳定性，以DCS为基础采用先进控制方法是有效的途径。

在石化工业中，加热炉是能源消耗的大户，而各企业内部的节能增效也为工业加热炉先进控制系统的推广提供了良好的机遇。

不管采用哪种先进控制器，控制器的设计都是基于过程对象的动态特性，无论采用哪种控制方案，我都要求控制器是鲁棒的。

本文以大庆石化公司炼油厂常减压车间加热炉的出口温度控制为研究背景，对常减压生产过程的工艺特性进行了深入的分析，简要的介绍了加热炉的工作机理和一套常减压车间的TDC-3000 DCS系统。

并且在对常规的控制器和相关理论深入了解的基础上，结合实际生产中存在的问题，针对厂方原有的控制方案提出了相应的改进设计，引入自适应方法来获得更好的控制效果，提出了用针对燃料流量的控制取代厂方针对燃料阀门的控制方案，并尝试把内模结构应用在现场的控制系统中。

最后进行了现场模拟实验，实践表明，所应用的控制器性能令人满意，具有很好的鲁棒性和抗干扰能力，先进控制一定会具有更广阔的发展前景。

本文链接：/Conference_6097974.aspx
授权使用：河北科技大学(hbkjdx)，授权号：976ceb28-521c-4068-ade7-9ea40144160f
下载时间：2011年3月12日。